Applicazione dei materiali in lega di titanio nell'industria petrolifera
Il titanio è un importante metallo strutturale sviluppato negli anni '50. Il titanio può formare leghe con altri elementi metallici per migliorare e potenziare le sue proprietà meccaniche e fisiche per soddisfare diverse esigenze. Il titanio e le sue leghe hanno elevata resistenza, basso modulo elastico, eccellente resistenza alla corrosione, buona biocompatibilità e altre caratteristiche. Sono ampiamente utilizzati in elementi di fissaggio aerospaziali, industria petrolifera, componenti di ingegneria, pacemaker medici e altri campi.
I materiali in lega di titanio utilizzati nei tubi dei pozzi petroliferi all'estero includono principalmente UNS R56404 (Ti-6Al-4V-0.08Ru), UNS R55400 (Ti-5.5Al-4.3Zr-5.7V-1.3Mo-0.10O-0.06Pd), UNSR58640 (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo), UNS R56260 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo), ecc. Con il progresso della tecnologia, la lega di titanio TC4 (Ti-6Al-4V) con buona resistenza alla corrosione ed elevata resistenza specifica viene gradualmente utilizzata in le condutture dei pozzi petroliferi del mio paese.
La maggior parte delle condotte per pozzi petroliferi tradizionali del mio Paese sono realizzate in acciaio al carbonio, come G105, L80, N80, P110, ecc. Tuttavia, l'ambiente di sviluppo di petrolio e gas nel mio Paese è relativamente duro. Le condotte per pozzi petroliferi non solo affrontano le sfide delle alte temperature e delle alte pressioni quando servono sottoterra, ma devono anche resistere agli effetti combinati di ambienti corrosivi come H2S, CO2, salamoia ad alta concentrazione/fluido di completamento, zolfo elementare e acido forte. Le condotte per pozzi petroliferi tradizionali in acciaio al carbonio non sono più in grado di soddisfare il duro ambiente di servizio.
I tubi e le guaine per petrolio in lega di titanio saranno sottoposti a grandi carichi di pressione esterna nel sottosuolo. Liu et al. hanno stabilito un nuovo modello di previsione della resistenza della guaina per petrolio in lega di titanio basato sul modello di criteri di resistenza e compressione, e hanno calcolato e confrontato la resistenza alla compressione dei tubi in lega di titanio e dei tubi in acciaio con diversi parametri chiave. I risultati dei test mostrano che la resistenza alla compressione dei tubi in lega di titanio è inferiore a quella dei tubi in acciaio con le stesse specifiche. Pertanto, la resistenza alla compressione dei tubi e delle guaine per petrolio in lega di titanio è fondamentale per la sicurezza della serie di tubi nel sottosuolo.
Gli studiosi stranieri Schutz et al. hanno esposto i tubi in titanio UNS R56404 al mercurio liquido e hanno condotto test di carico ciclico, trazione continua e stress elevato in condizioni di produzione di petrolio e gas pertinenti. Hanno scoperto che nel mercurio liquido a 232 gradi, i tubi in titanio possono resistere completamente all'infragilimento del metallo liquido e ad altre forme di degradazione ambientale.
Hanno anche studiato l'uso acido della lega di titanio UNS R55400 secondo lo standard ANSI/NACE MR0175/ISO 15156. UNS R55400 appartiene alla lega di titanio di tipo +, che è un nuovo tipo di lega di titanio ad alta resistenza sviluppata appositamente per servizi di produzione di petrolio e gas ad alta temperatura e alta pressione. Hanno scoperto che la lega di titanio UNS R55400 può essere utilizzata in ambienti di salamoia acida con fino a 198 g/L di cloruro (saturo) e può essere utilizzata in condizioni acide con una durezza massima di 41 HRC, una temperatura massima di 288 gradi, con o senza zolfo elementare e resistere ad almeno 3,45 MPa di pressione parziale di H2S e 6,9 MPa di pressione parziale di CO2.
Pertanto, la resistenza alla corrosione del tubo per pozzi petroliferi in lega di titanio è migliore di quella del tradizionale tubo per pozzi petroliferi in acciaio al carbonio. In secondo luogo, può essere rafforzato tramite trattamento di invecchiamento per migliorare le sue proprietà meccaniche e ha eccellenti caratteristiche di resistenza all'infragilimento del metallo liquido, allo zolfo e alla resistenza agli acidi. Tuttavia, in un ambiente di servizio con un grande carico di pressione esterna, la resistenza alla compressione del tubo per pozzi petroliferi in lega di titanio è di gran lunga inferiore a quella del tubo per pozzi petroliferi in acciaio al carbonio. Nel mio paese ci sono poche ricerche su come migliorare la resistenza alla compressione e alla flessione delle leghe di titanio. Pertanto, è di grande importanza studiare come mantenere o addirittura migliorare la resistenza dei materiali in lega di titanio in condizioni di stress elevato.
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